靜電場軌道阱質(zhì)譜在水中溶解性有機(jī)質(zhì)表征中的應(yīng)用進(jìn)展

王書越, 何洪源*, 饒 竹, 石喆元,孟建衛(wèi), 王立平, 李開開

1)中國人民公安大學(xué)偵查學(xué)院, 北京 100038;2)自然資源部生態(tài)地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心, 北京 100037;3)河北省礦產(chǎn)資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北保定 071000

溶解性有機(jī)質(zhì)(Dissolved Organic Matter, DOM),是一類組成、結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、具有異質(zhì)性的有機(jī)混合物, 廣泛存在于各種天然水體中(Hertkorn et al.,2007; Tremblay et al., 2007; 李超群等, 2018; Mangal et al., 2020; Zhang et al., 2021)。DOM是連接生命形態(tài)碳和無機(jī)碳的關(guān)鍵紐帶, 參與各種生物地球化學(xué)循環(huán)過程, 被認(rèn)為是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的活躍化學(xué)組分(吳豐昌等, 2008;Melendez-Perez et al., 2016; Fox et al., 2017)。研究表明, DOM包含上千種化合物, 官能團(tuán)多、質(zhì)量范圍廣, 含量雖少, 卻影響著有毒重金屬和有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化和生物有效性(樓濤等, 2004; Raeke et al., 2017; 謝冰心等, 2020), 引發(fā)人類健康風(fēng)險(xiǎn)。DOM 的存在還與一些地方病的發(fā)生密不可分, 例如地下水中高腐殖酸會(huì)使水溶性硒含量減少, 降低硒的生物利用率(曹靜祥等, 1993; 韓立新和曾憲成,2009), 導(dǎo)致大骨節(jié)病的發(fā)生(中國科學(xué)院地理研究所環(huán)境與地方病研究組, 1988; 王婧等, 2020)。此外,水中富營養(yǎng)化、有毒溶解性有機(jī)質(zhì)混入均可造成水體污染。

雖然DOM在生物地球化學(xué)作用過程中、在生物有效性、水體安全性等方面具有重要作用, 但由于DOM具有組成復(fù)雜、含量較低、與水的互溶性強(qiáng)等特征, 常規(guī)檢測技術(shù)難以對(duì)其分子組成進(jìn)行精準(zhǔn)解析, 限制了研究人員對(duì)DOM作用的深入認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)有 DOM 常規(guī)表征技術(shù)以光譜技術(shù)為主, 包括傅里葉變換紅外光譜(Zhang et al., 2009)、紫外-可見吸收光譜(Birdwell et al., 2010; 張博等, 2020)、三維熒光光譜(Riley et al., 2018; 王翔等, 2020; 張博等,2020)等。這些技術(shù)利用DOM中不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、發(fā)色基團(tuán)、熒光基團(tuán)各不相同的特性, 揭示了 DOM 主要的化合物類型, 如腐殖酸、富里酸、氨基酸等。但光譜技術(shù)只能揭示部分DOM的宏觀特性, 無法描述其分子組成。

隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展, 高分辨質(zhì)譜(High Resolution Mass Spectrometry, HRMS)的分辨率可以達(dá)到100 000 (m/z 400)以上, 能夠表征DOM的分子組成(Hertkorn et al., 2008; Riedel and Dittmar,2014), 是解析DOM的理想方法。自1997年Fievre et al.(1997)首次采用HRMS檢測DOM以來, 各類高分辨質(zhì)譜儀檢測DOM的研究報(bào)道大幅增長。傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry, FT-ICR MS)、靜電場軌道阱質(zhì)譜儀(Orbitrap MS)和飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(Time-of-Flight MS, TOF MS)的普及促進(jìn)了 DOM 解析技術(shù)的提升(Cortes-Francisco et al.,2011; Hawkes et al., 2016; Lu et al., 2018; Aguilar-Alarcon et al., 2020; Pan et al., 2020)。

FT-ICR MS技術(shù)是表征DOM最常用的HRMS技術(shù)(Kujawinski, 2002; Hertkorn et al., 2007)。由于該儀器體積龐大、操作復(fù)雜、儀器及維護(hù)成本高, 在一定程度上限制其廣泛應(yīng)用(Zhurov et al., 2013;Simon et al., 2018)。近幾年, 研究人員通過探索和實(shí)踐、證實(shí)了高分辨Orbitrap MS能夠滿足DOM分子組成分析的技術(shù)需求(Hawkes et al., 2016; Pan et al.,2020)。Orbitrap MS技術(shù)與利用液氦維持超導(dǎo)磁場的FT-ICR MS不同, 它使用軸向諧波軌道阱作為質(zhì)量分析器, 儀器和維護(hù)成本相較于FT-ICR MS大幅下降(Makarov et al., 2006a, b)。同時(shí)兼具高分辨率、高靈敏度、高通量、高掃描速率等特性(Zubarev and Makarov, 2013; 栗則等, 2018), 取得了與 FT-ICR MS相似的解析效果, 為推動(dòng)溶解性有機(jī)質(zhì)的精細(xì)解析的普及提供了可能。本文總結(jié)了DOM高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)表達(dá)方法, 綜述了 Orbitrap MS技術(shù)的發(fā)展及其表征水體中 DOM 的應(yīng)用現(xiàn)狀, 并對(duì)未來研究進(jìn)行展望。

1 Orbitrap MS技術(shù)

Orbitrap質(zhì)量分析器起源于1923年軌道捕獲原理的實(shí)現(xiàn)(Zubarev and Makarov, 2013)。隨后, 彎曲線性阱(C-trap)的發(fā)展有效將Orbitrap質(zhì)量分析器與離子源、離子傳輸裝置分離, 使任何離子源和離子傳輸裝置都可以與 Orbitrap質(zhì)量分析器相連,擴(kuò)大了Orbitrap MS的應(yīng)用范圍。如圖1所示, 在C-trap中, 隨著離子被捕獲, 射頻電壓迅速下降,離子在高純氮?dú)獾淖饔孟聹p速, 同時(shí)在垂直于C-trap彎曲軸的方向施加直流電壓, 使離子聚集壓縮到C-trap彎曲部分的出口(對(duì)著Orbitrap質(zhì)量分析器入口), 被Orbitrap質(zhì)量分析器的電場吸入。當(dāng)離子進(jìn)入 Orbitrap質(zhì)量分析器時(shí), 通過提升中心電極電壓的絕對(duì)值增加場強(qiáng), 產(chǎn)生向心吸引力, 限制離子軸向運(yùn)動(dòng), 而改作圓周運(yùn)動(dòng)(Hu et al., 2005)。第一臺(tái)商用儀器是由Thermo Electron公司(現(xiàn)為Thermo Fisher Scientific公司)推出的LTQ Orbitrap Classic;2008年, 名為Exactive的Orbitrap質(zhì)譜儀建成, 其離子源直接與C-trap相連; 2011年, 該儀器與四極桿質(zhì)量分析器相結(jié)合, 并以Q Exactive的名稱推出,從此這類先進(jìn)的Orbitrap質(zhì)譜儀逐漸在高通量篩查方面流行起來(Zubarev and Makarov, 2013)。Q Exactive Orbitrap MS的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 C-trap和Orbitrap質(zhì)量分析器的橫截面(Zubarev and Makarov, 2013)Fig. 1 Cross-section of the C-trap and Orbitrap analyzer (Zubarev and Makarov, 2013)

圖2 Q Exactive Orbitrap MS的結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of Q Exactive Orbitrap MS

自2005年Orbitrap MS商業(yè)化以來, 其分辨率從原來的150 000提高到450 000 (m/z 200), 可滿足表征 DOM的要求(Hu et al., 2005; Zhurov et al.,2013; Zubarev and Makarov, 2013)。研發(fā)人員還在C-trap之后增加一個(gè)碰撞單元, 開辟了利用高能碰撞裂解離子的新途徑(Zubarev and Makarov, 2013)。該裂解模式與傳統(tǒng)的碰撞誘導(dǎo)解離一樣, 可用于解析DOM的具體分子結(jié)構(gòu)。此外, Orbitrap MS在表征低分子量(Low Molecular Weight, LMW)化合物方面表現(xiàn)出優(yōu)越的能力, 已被用于表征各種來源的DOM(Cortes-Francisco and Caixach, 2013; Mangal et al., 2016; Phungsai et al., 2016)。同時(shí), 高掃描速率能使其與液相色譜串聯(lián), 從而實(shí)現(xiàn)在線分離和表征DOM(Patriarca et al., 2018)。

2 Orbitrap MS技術(shù)對(duì)水體中DOM的表征

2.1 Orbitrap MS數(shù)據(jù)表達(dá)

采用Orbitrap MS技術(shù)對(duì)水體中DOM分析會(huì)產(chǎn)生數(shù)千個(gè)質(zhì)量峰, 為簡化數(shù)據(jù)和直觀表達(dá) DOM 的分子組成, 通常進(jìn)行分子式分配和可視化分析。

2.1.1 分子式分配

分子式分配是指計(jì)算機(jī)程序根據(jù)預(yù)定義的化學(xué)約束條件, 對(duì)每個(gè)檢測到的質(zhì)量峰計(jì)算其可行的元素組成。Koch et al.(2007)解釋了利用高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)對(duì)SRFA標(biāo)樣中DOM進(jìn)行分子式分配的基本原理, 并表明隨著質(zhì)量增加, 如果將無氧雜原子加入計(jì)算, 分配的分子式數(shù)量會(huì)急劇增加。Herzsprung et al.(2014)從化學(xué)角度提出了一種解釋和改進(jìn)分子式分配的新方法, 首先在標(biāo)稱質(zhì)量內(nèi)搜索質(zhì)量峰的多個(gè)分子式并分組(如 CHO/CHON2), 然后分析它們的等效雙鍵數(shù)減氧原子(DBE-O)的頻率條形圖,該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)對(duì)多個(gè)m/z值進(jìn)行分組分配。目前, 常用的分配規(guī)則包括設(shè)置響應(yīng)值的最低限, C、H、O、N、S等元素個(gè)數(shù)和元素比例的范圍, 以及出現(xiàn)多個(gè)候選分子式時(shí)如何確定最優(yōu)解。

隨著研究的深入, 基于復(fù)雜搜索算法的分子式分配自編程軟件的報(bào)道越來越多(Fu et al., 2020)。除了商業(yè)軟件(如PetroOrg (Blackburn et al., 2017)、MIDAS分析(Cook et al., 2017)等), 還有儀器自帶的軟件(如MassCalc (Yassine et al., 2014))和自動(dòng)代碼(如 UltraMassExplorer (Leefmann et al., 2019)、WHOI 代碼(Kujawinski and Behn, 2006)等)已被開發(fā)并用于高通量分子式分配。最近, Fu et al.(2020)開發(fā)了兩個(gè)開源性算法(TRFu和FuJHA), 將不同來源DOM的多個(gè)高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分子式分配, 經(jīng)過準(zhǔn)確性評(píng)估, 該算法可有效得出分子式。

2.1.2 可視化方法

常用的DOM分子組成可視化方法有范克萊恩圖(Van Krevelen Diagram, VK圖), 肯德里克質(zhì)量偏差圖(Kendrick mass defect plot, KMD圖), DBE vs C圖和DBE vs O圖等。

VK圖是對(duì)元素?cái)?shù)據(jù)(C、H、N和 O)進(jìn)行圖形化和統(tǒng)計(jì)化處理的方法, 最常見的是根據(jù)每個(gè)化合物分子式的 O/C和 H/C比值繪制的二維圖。2003年, Kim et al.(2003)首次將該方法用于水中DOM分子組成的可視化分析。由于自然生物分子具有相對(duì)統(tǒng)一和離散的元素組成, 因此不同類型的分子可通過其O/C和H/C比值的某種組合來進(jìn)行分類。目前,常采用 Hockaday et al.(2009)研究的分區(qū)方法對(duì)水中 DOM 的分子組成進(jìn)行分類, 包括脂類, 不飽和烴類, 稠環(huán)芳烴類, 蛋白類, 木質(zhì)素類和碳水化合物類。

Kendrick質(zhì)量偏差分析是同源化合物對(duì)復(fù)雜質(zhì)譜中的峰進(jìn)行分類, 已成功應(yīng)用于高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)(Kendrick, 1963)。對(duì)于結(jié)構(gòu)單元一致(如CH2, COOH,CH2O等)而質(zhì)量不同的化合物組成(結(jié)構(gòu)單元呈整數(shù)倍關(guān)系), 可以通過二維圖像呈現(xiàn), 即 KMD圖。由于同源相關(guān)的化合物位于同一縱坐標(biāo)值的水平線上, 因此可以直觀了解 DOM 中化合物的類型及其分子量分布范圍。在KMD圖中, 橫坐標(biāo)為Kendrick質(zhì)量(Kendrick Mass), 縱坐標(biāo)為Kendrick質(zhì)量偏差(Kendrick Mass Defect, KMD), 相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)式中, F為結(jié)構(gòu)單元, 可以是CH2, COO, H2,H2O等。

等效雙鍵數(shù)(Double Bond Equivalent, DBE)代表化合物的不飽和度, 通過表觀DBE與C的關(guān)系或DBE與O的關(guān)系, 可以補(bǔ)充對(duì)DOM分子組成的認(rèn)識(shí)和理解。此外, 其他可視化方法也可以為更全面解析DOM的分子組成提供參考。

2.2 水體中DOM分子組成的表征

近年來, 采用 Orbitrap MS技術(shù)表征水體中DOM 分子組成的報(bào)道逐年增多。研究人員在探究Orbitrap MS表征DOM分子組成方面主要集中在表征方法的準(zhǔn)確性、重現(xiàn)性和代表性等問題。Remucal et al.(2012)首先采用截留分子量在100～500之間的透析膜對(duì) Suwannee河黃腐酸(Suwannee River Fulvic Acid, SRFA)標(biāo)樣進(jìn)行透析, 再用紫外-可見吸收光譜和Orbitrap MS對(duì)透析液和保留液進(jìn)行分析。通過與 FT-ICR MS的分析結(jié)果進(jìn)行比較,Orbitrap MS的質(zhì)量精度滿足檢測復(fù)雜混合物中質(zhì)量<600 Da化合物分子式的需要, 當(dāng)分子量在100～200 Da時(shí)Orbitrap MS儀器響應(yīng)最強(qiáng)。同時(shí), 該研究證實(shí)SRFA中包含低分子量化合物。Hawkes et al.(2016)采用 LTQ-Orbitrap MS技術(shù)表征北太平洋海水樣本和瑞典Pl?ten湖水樣本中的DOM, 就檢測的分辨率、數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、分子質(zhì)量分布和結(jié)果重現(xiàn)性等方面與 FT-ICR MS進(jìn)行了比較。結(jié)果表明Orbitrap MS重現(xiàn)性好, 平行樣本間Bray Curtis相異度為2.85±0.42%(平均±標(biāo)準(zhǔn)偏差)。隨后, Hawkes聯(lián)合了各國的科研組(2020)考察了不同實(shí)驗(yàn)室間使用不同HRMS檢測結(jié)果之間的差異。該實(shí)驗(yàn)采用了統(tǒng)一制備的 4種 DOM 參考樣本, 即 SRFA、Suwannee河天然有機(jī)物(Suwannee River Natural Organic Matter, SRNOM)、Pony 湖黃腐酸(Pony Lake Fulvic Acid, PLFA)和Elliot土壤黃腐酸(Elliot Soil Fulvic Acid, ESFA), 分別在 16個(gè)實(shí)驗(yàn)室共 17臺(tái)HRMS儀(其中包括 7臺(tái) Orbitrap MS儀)上進(jìn)行檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 不同儀器檢測出 DOM 的氫飽和度和芳香度基本一致, 而平均分子質(zhì)量和氧含量受儀器類型和參數(shù)設(shè)置的影響較大。最終, 研究人員針對(duì)四種樣本提出了四個(gè)不同參數(shù)的度量值, 以便用于評(píng)估HRMS的儀器性能。2020年, Pan et al.(2020)針對(duì) SRFA和 SRNOM 樣本, 將 Orbitrap MS與FT-ICR MS在分辨率、質(zhì)量分布、檢測動(dòng)態(tài)范圍和同位素峰強(qiáng)度比等方面進(jìn)行了全面的比較, 同時(shí)考察了不同質(zhì)譜參數(shù)對(duì)檢測結(jié)果的影響。結(jié)果表明,高分辨Orbitrap MS是一種很好的DOM分子組成表征技術(shù)。

除了考察Orbitrap MS表征DOM標(biāo)樣分子組成的能力, 研究人員還對(duì)不同的實(shí)際水體樣本進(jìn)行了檢測。Cortes-Francisco and Caixach(2015)采用Orbitrap MS對(duì)西班牙巴塞羅那海岸收集的海水中DOM 進(jìn)行了碰撞誘導(dǎo)解離高分辨串聯(lián)質(zhì)譜分析,通過對(duì)其單個(gè)產(chǎn)物離子質(zhì)譜重構(gòu), 將多個(gè)片段劃分到不同的前體離子上, 表明存在羧基、羥基、醌類和脂類, 并且結(jié)構(gòu)與木質(zhì)素類降解分子相似。該結(jié)果證實(shí)了海水中DOM具有高度多樣性的官能團(tuán)。李利杰等(2019)采用 Orbitrap MS/MS分析得出了SRFA、不同陸源水體、近海海水和深海海水的串聯(lián)質(zhì)譜碎片, 結(jié)果表明, 不同水體中 DOM 分子結(jié)構(gòu)具有相似性, 約75%～90%的碎片離子相同, 而差異性主要是因?yàn)椴煌瑏碓吹?DOM 分子組成不同。Kasuga et al.(2020)采用Orbitrap MS對(duì)日本11個(gè)主要湖泊中的 DOM 進(jìn)行了表征, 經(jīng)分子式分配, 得到了845～1451種化合物組分, 其中555種組分在所有湖泊中普遍存在。同時(shí)利用皮爾遜相關(guān)性探究了這些共同組分的相對(duì)峰強(qiáng)度與水質(zhì)指標(biāo)(紫外吸光度、可溶化學(xué)需氧量、三鹵甲烷生成勢)之間的關(guān)系,為水質(zhì)管理提供信息。

由于 DOM的組成非常復(fù)雜, 直接采用 HRMS分析會(huì)導(dǎo)致許多化合物同時(shí)電離, 形成電離抑制,使得質(zhì)譜數(shù)據(jù)中同分異構(gòu)體的信息被覆蓋, 無法分辨是哪種化合物產(chǎn)生了響應(yīng)。為了更全面表征水體DOM的分子組成, 近幾年, 研究人員將高效液相色譜(High Performance Liquid Chromatography, HPLC)與 Orbitrap MS結(jié)合, 在質(zhì)譜分析前先通過化合物極性的差異對(duì) DOM 進(jìn)行色譜分離, 該方法大大提高了解析 DOM 分子組成的水平。Patriarca et al.(2018)開發(fā)了一種在線 HPLC-Orbitrap MS表征DOM 的新方法, 將每個(gè)樣本的色譜分成 7段(每 4分鐘為一段, 第一段為3分鐘), 該方法簡單、快速、重現(xiàn)性好(Bray-Curtis相異度在 2.5%左右), 總體上分配了更多的分子式。與直接注入質(zhì)譜分析相比,該方法增加了極性信息, 但沒有增加太多的分析時(shí)間。將該方法應(yīng)用于北太平洋的海水樣本、瑞典某個(gè)湖水樣本和 SRFA, 提升了原有的分析能力。Wunsch and Hawkes(2020)將平行因子分析(PARAFAC)等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法應(yīng)用于瑞典東南方74個(gè)河流樣本的 HPLC-Orbitrap MS檢測得到的DOM數(shù)據(jù)集, 將該數(shù)據(jù)集包含的7178個(gè)質(zhì)量峰和分配的1355個(gè)分子式, 根據(jù)保留時(shí)間分成五組, 表達(dá)了96.89%的數(shù)據(jù), 其余的變化由矩陣效應(yīng)和測量噪聲構(gòu)成。之后, 采用PARAFAC對(duì)共洗脫的分子進(jìn)行區(qū)分。本研究將色譜分離與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法結(jié)合, 雖然引入了額外的數(shù)據(jù)分析步驟, 但提供了更好的信息恢復(fù), 并最大限度地提高了 HPLC-HRMS分析的潛力。Farré et al.(2019)采用 LTQ-Orbitrap MS對(duì)不同來源的飲用水進(jìn)行直接輸入和色譜分離分析, 研究 N-亞硝基二甲胺(NDMA)的形成與DOM 分子指紋圖譜的關(guān)系。結(jié)果表明, 與 NDMA的形成呈正相關(guān)的化合物主要對(duì)應(yīng)于VK圖中脂肪族、肽類和類脂類化合物(H/C≥1.5)的區(qū)域。本研究中, 盡管色譜分離不能更好地定義 NDMA的前體,因?yàn)樗鼈兇嬖谟谏V圖的不同餾分中, 但所提出的方法有助于縮小通過非目標(biāo)分析尋找天然存在的NDMA前體的范圍。

2.3 水體中DOM分子組成變化的表征

水體中DOM分子組成的變化反映了水體中元素的生物地球化學(xué)特征, 掌握 DOM 分子組成變化是了解水域生態(tài)系統(tǒng)信息的關(guān)鍵。研究表明, DOM對(duì)飲用水的凈化處理過程可造成某些不利影響, 如可降低水質(zhì), 增加對(duì)混凝劑、氧化劑和消毒劑的使用需求等。DOM還被認(rèn)為是一種有機(jī)前體, 可導(dǎo)致臭氧化過程中氧化副產(chǎn)物(Oxidation Byproducts,OBPs)和氯化過程中消毒副產(chǎn)物(Disinfection Byproducts, DBPs)的產(chǎn)生, 對(duì)人體產(chǎn)生危害。為監(jiān)測DOM 分子組成的動(dòng)態(tài)變化, 對(duì)飲用水凈化過程提供指導(dǎo)建議, 目前, Orbitrap MS技術(shù)在表征水體中DOM 分子變化的應(yīng)用主要集中在對(duì)飲用水庫或污水處理廠水體的研究。

2018年, Phungsai et al.(2018)采用Orbitrap MS未知物篩查方法, 對(duì)兩個(gè)飲用水處理廠在水處理過程中 DOM 的分子組成進(jìn)行了研究。結(jié)果表明, 臭氧反應(yīng)對(duì) DOM 分子組成影響最大, 臭氧處理降低了低飽和含 CHO類 DOM 的峰強(qiáng), 增加了飽和OBPs的峰強(qiáng)和數(shù)量。經(jīng)氯化處理后, 檢測到50多個(gè)DBPs, 其中至少一半是未知的。2019年, 該研究組(Phungsai et al., 2019)采用Orbitrap MS未知物篩查方法, 研究了近千種 DOM 分子組成在氧化過程中(1? mg O3/L、4? mg O3/L和4? mg O3/L + 2.5 mg H2O2/L)的變化, 并探究了氯化過程對(duì)未知 DBPs形成的影響。結(jié)果表明, 臭氧處理增加了未知 DBPs的數(shù)量和峰強(qiáng)度, 而 O3/H2O2高級(jí)氧化處理減少了未知DBPs的生成; 其次, 不同臭氧處理會(huì)生成不同的未知DBPs。2021年, 該研究組(Phungsai et al., 2021)在先前研究的基礎(chǔ)上, 又采用三種不同的固相萃取柱對(duì)飲用水進(jìn)行連續(xù)前處理, 提供了之前未解析的DOM分子組成及變化。在DBPs前體物質(zhì)的研究工作中, Sanchís et al.(2020)采用 Orbitrap MS分析了巴塞羅那流域水體氯化后DOM分子組成的變化。結(jié)果表明, 氯化處理顯著改變了 DOM 分子組成, 質(zhì)譜平均m/z和肯德里克質(zhì)量缺陷均降低, DOM分子指紋圖譜(VK圖)有明顯變化, 其中包括低H/C特征的出現(xiàn), 大部分脂類特征的消失, 丹寧區(qū)高氧化峰(平均O/C為0.78～0.08)的出現(xiàn)等。同時(shí), 在樣本氯化過程中產(chǎn)生了657個(gè)鹵化峰, 大部分在VK圖的類烴縮合區(qū)和類木質(zhì)素區(qū), 有 200個(gè)特征與 DBPs的形成高度相關(guān)(p≥0.795)。

人類活動(dòng)也是引起水體DOM分子組成發(fā)生變化的重要因素之一, Pemberton et al.(2020)采用固相萃取從河流和處理過的污水中提取 DOM, 并采用DI-Orbitrap MS和HPLC-Orbitrap MS進(jìn)行分析。對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行單變量和多變量統(tǒng)計(jì)分析, 從而對(duì)比排污口上游河流和下游河流中DOM的差異。結(jié)果表明, 下游水與排污口廢水中 DOM 分子組成相似, 與上游水中 DOM 有明顯差異, 證實(shí)了人類活動(dòng)所排放的物質(zhì)可以顯著改變河流DOM的分子組成。另外, 通過在線數(shù)據(jù)庫檢索二級(jí)質(zhì)譜, 對(duì)主要化合物進(jìn)行了鑒定, 為人類源化合物的鑒定提供了依據(jù)。該方法對(duì)評(píng)估河流系統(tǒng)中任何點(diǎn)源的 DOM分子組成差異, 或由生物、季節(jié)、人類活動(dòng)等外界環(huán)境改變導(dǎo)致的DOM分子組成差異方面具有重要的價(jià)值。近年來, 快速城市化導(dǎo)致封閉水體的有機(jī)污染, 加速水體富營養(yǎng)化。Yuthawong et al.(2020)采用Orbitrap MS測定了日本污染最嚴(yán)重、富營養(yǎng)化程度高的Inba湖中低分子量DOM的分子組成。通過一年的監(jiān)測表明, 該湖泊中 DOM 由穩(wěn)定成分和季節(jié)特異性成分組成。同時(shí), 湖泊中檢測到的DOM 組分與兩條入流河流中檢測到的組分基本一致, 表明異源組分的季節(jié)變化可以驅(qū)動(dòng)淺水湖泊中DOM 組分的變化。此外, 將高錳酸鉀預(yù)處理與Orbitrap MS結(jié)合, 結(jié)果表明, 溶解性化學(xué)需氧量(DCODMn)僅由少量高度不飽和的成分構(gòu)成, 揭示了富營養(yǎng)化湖泊中DOM的分子組成。

由于DOM參與水生生態(tài)系統(tǒng)的眾多物理、化學(xué)、生物反應(yīng), 通過Orbitrap MS表征水體中DOM分子組成的變化, 可以間接了解水體狀態(tài), 例如,通過表征水體富營養(yǎng)化背景下藻華爆發(fā)-消退周期的 DOM 分子組成變化, 有助于對(duì)水體富營養(yǎng)化進(jìn)行控制與治理; 表征污水排放前后水體 DOM 分子組成變化, 有助于了解點(diǎn)源輸入對(duì)水體造成的影響;表征多級(jí)飲用水處理時(shí) DOM 分子組成變化, 有助于評(píng)價(jià)飲用水處理工藝效果等。因此, 針對(duì)水體中DOM復(fù)雜的分子組成和變化, Orbitrap MS可以一定程度上進(jìn)行解析, 但更為詳細(xì)的分子結(jié)構(gòu)、具體發(fā)生反應(yīng)的分子特征等信息還有待進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)和展望

本文綜述了 Orbitrap MS技術(shù)及其在水體中DOM表征中的應(yīng)用現(xiàn)狀。Orbitrap MS靈敏度高、通量大、操作簡單、維護(hù)成本低, 通過與FT-ICR MS分析DOM的結(jié)果進(jìn)行比較, 證實(shí)了高分辨Orbitrap MS能夠滿足DOM分子組成分析的技術(shù)需求。但不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)水體中DOM分析的過程(前處理方法、儀器參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)分析)差異較大, 難以形成標(biāo)準(zhǔn)化; 而且采用高分辨質(zhì)譜得到的 DOM 數(shù)據(jù)信息量大, 目前沒有統(tǒng)一的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理; 同時(shí)現(xiàn)有的高分辨 Orbitrap MS應(yīng)用范圍窄, 限制了其快速發(fā)展。因此, 在未來的研究工作中還應(yīng)不斷挖掘和完善更多功能, 一是針對(duì)相同的樣本, 建立普適的分析標(biāo)準(zhǔn), 包括樣本處理和制備、電離、參數(shù)設(shè)置、方法驗(yàn)證等; 二是針對(duì)大批量樣本, 可充分利用重復(fù)樣本、空白樣本和質(zhì)量控制, 始終監(jiān)測參考樣本信號(hào)的漂移以減少誤差; 三是開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理軟件, 包括扣除背景噪聲、篩除無關(guān)離子、分子式分配、可視化分析等方法, 實(shí)現(xiàn)快速、大批量數(shù)據(jù)處理; 四是推廣并應(yīng)用具有高分辨軟件的Orbitrap MS儀, 擴(kuò)大高分辨Orbitrap MS的應(yīng)用范圍, 更全面的解析水體中 DOM 分子組成及分子變化, 為水質(zhì)檢測提供更完善的依據(jù)。此外, 還應(yīng)進(jìn)一步探究DOM與有毒金屬、有機(jī)污染物、微量元素(如硒、砷)等物質(zhì)之間的相互作用機(jī)理, 并評(píng)估對(duì)人體健康產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn), 為環(huán)境污染與治理提供技術(shù)支撐。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. DD20211414 and DD20190323), Fundamental Research Funds for the Central Universities(No. 2021JKF201), and Opening Project of Shanghai Key Laboratory of Criminal Scene Evidence (No.2021XCWZK05).